A. Kim loại kiềm thổ

I. Vị trí trong bảng tuần hoàn, cấu hình electron nguyên tử

Kim loại kiềm thổ thuộc nhóm IIA của bảng tuần hoàn, gồm các nguyên tố beri (Be), magie (Mg), canxi (Ca), stronti (Sr), bari (Ba) và rađi (Ra).

Nguyên tử của các kim loại kiềm thổ đều có cấu hình electron lớp ngoài cùng là ns² (n là số thứ tự của lớp).

II. Tính chất vật lí

Các kim loại kiềm thổ có màu trắng bạc, có thể dát mỏng.

Do các kim loại kiềm thổ có kiểu mạng tinh thể không giống nhau nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các kim loại kiềm thổ không biến đổi theo một quy luật nhất định như các kim loại kiềm.

III. Tính chất hóa học

Kim loại kiềm thổ có tính khử mạnh, tăng dần từ beri đến bari.

$M \to {M^{2 + }} + 2e$

Trong hợp chất, các kim loại kiềm thổ có số oxi hóa +2.

1. Tác dụng với phi kim

Kim loại kiềm thổ khử các nguyên tử phi kim thành ion âm.

2. Tác dụng với dung dịch axit

- Với axit HCl, H₂SO₄ loãng

Kim loại kiềm thổ khử mạnh ion H⁺ trong các dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng thành khí H₂.

- Với axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

Kim loại kiềm thổ có thể khử $\mathop N\limits^{ + 5} $ trong HNO₃ loãng xuống $\mathop N\limits^{ -3} $, $\mathop S\limits^{ + 6} $ trong H₂SO₄ đặc xuống $\mathop S\limits^{ -2} $:

$\begin{gathered}
  4\mathop {Mg}\limits^0  + 10H\mathop N\limits^{ + 5} {O_3}\ (loãng) \to 4\mathop {\mathop {Mg}\limits^{ + 2} {{(N{O_3})}_2}}\limits^{}  + \mathop N\limits^{ - 3} {H_4}N{O_3} + 3{H_2}O \hfill \\
  4\mathop {Mg}\limits^0  + 5{H_2}\mathop S\limits^{ + 6} {O_4}\ (đặc) \to 4\mathop {\mathop {Mg}\limits^{ + 2} S{O_4}}\limits^{}  + \mathop {{H_2}\mathop S\limits^{ - 2} N}\limits^{}  + 4{H_2}O \hfill \\ 
\end{gathered} $

3. Tác dụng với nước

Ở nhiệt độ thường, Be không khử được nước, Mg khử chậm. Các kim loại còn lại khử mạnh nước giải phóng khí hiđro.

B. Một số hợp chất quan trọng của canxi

I. Canxi hiđroxit

Canxi hiđroxit (Ca(OH)₂) còn gọi là vôi tôi, là chất rắn màu trắng, ít tan trong nước. Nước vôi trong là dung dịch Ca(OH)₂.

Ca(OH)₂ hấp thụ dễ dàng khí CO₂:

$Ca{(OH)_2} + C{O_2} \to CaC{O_3} \downarrow  + {H_2}O$

Phản ứng trên thường được dùng để nhận biết khí CO₂.

Ca(OH)₂ là một bazơ mạnh, lại rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp: sản xuất amoniac (NH₃), clorua vôi (CaOCl₂), vật liệu xây dựng,...

II. Canxi cacbonat

- Canxi cacbonat (CaCO₃) là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước, bị phân hủy ở nhiệt độ khoảng 1000^oC.

Trong tự nhiên, canxi cacbonat tồn tại ở dạng đá vôi, đá hoa, đá phấn và là thành phần chính của vỏ và mai các loài ốc, sò, hến, mực,...

Ở nhiệt độ thường, CaCO₃ tan dần trong nước có hòa tan khí CO₂ tạo ra canxi hiđrocacbonat (Ca(HCO₃)₂), chất này chỉ tồn tại trong dung dịch.

Khi đun nóng, hoặc áp suất CO₂ giảm đi thì Ca(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra CaCO₃ kết tủa.

Phản ứng trên giải thích sự tạo thành thạch nhũ trong các hang đá vôi, cặn trong ấm nước,...

- Đá vôi dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất vôi, xi măng, thủy tinh,... Đá hoa dùng trong các công trình mĩ thuật (tạc tượng, trang trí,...). Đá phấn dễ nghiền thành bột mịn làm phụ gia của thuốc đánh răng,...

III. Canxi sunfat

Trong tự nhiên, canxi sunfat (CaSO₄) tồn tại dưới dạng muối ngậm nước CaSO₄.2H₂O gọi là thạch cao sống.

Khi đun nóng đến 160^oC, thạch cao sống mất một phần nước biến thành thạch cao nung là chất rắn màu trắng, dễ nghiền thành bột mịn. Khi nhào bột này với nước tạo thành một loại bột nhão có khả năng đông cứng nhanh.

Thạch cao khan là CaSO₄ được điều chế bằng cách nung thạch cao sống ở nhiệt độ 350^oC.

Khi nghiền clanhke, người ta trộn thêm 5 - 10% thạch cao để điều chỉnh tốc độ đông cứng của xi măng. Thạch cao nung còn được dùng để nặn tượng, đúc khuôn và bó bột khi gãy xương.

C. Nước cứng

I. Khái niệm

Nước tự nhiên thường chứa nhiều muối của các kim loại như canxi, magie, sắt,... Nước chứa nhiều ion Ca²⁺ và Mg²⁺ được gọi là nước cứng.

Nước chứa ít hoặc không chứa các ion Ca²⁺ và Mg²⁺ được gọi là nước mềm.

Người ta phân biệt nước cứng có tính cứng tạm thời, vĩnh cửu và toàn phần.

- Tính cứng tạm thời là tính cứng gây nên bởi các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂.

Khi đun sôi nước, các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra kết tủa CaCO₃ và MgCO₃ nên sẽ làm mất tính cứng.

- Tính cứng vĩnh cửu là tính cứng gây nên bởi các muối sunfat, clorua của canxi và magie.

Khi đun sôi, các muối này không bị phân hủy nên tính cứng vĩnh cửu không mất đi.

- Tính cứng toàn phần gồm cả tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

II. Tác hại

- Đun nước cứng lâu ngày trong nồi hơi, nồi sẽ bị phủ một lớp cặn. Lớp cặn dày 1 mm làm tốn thêm 5% nhiên liệu, thậm chí có thể gây nổ.

- Các ống dẫn nước cứng lâu ngày bị đóng cặn, làm giảm lưu lượng của nước.

- Quần áo giặt bằng nước cứng thì xà phòng không ra bọt, tốn xà phòng và làm quần áo chóng hư hỏng do những kết tủa khó tan bám vào quần áo.

- Pha trà bằng nước cứng sẽ làm giảm hương vị của trà. Nấu ăn bằng nước cứng sẽ làm cho thực phẩm lâu chín và giảm mùi vị.

III. Cách làm mềm nuớc cứng

Nguyên tắc làm mềm nước cứng là làm giảm nồng độ các ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong nước cứng bằng các phương pháp sau:

1. Phương pháp kết tủa

- Khi đun sôi nước, các muối Ca(HCO₃)₂ và Mg(HCO₃)₂ bị phân hủy tạo ra muối cacbonat không tan. Loại bỏ kết tủa ta được nước mềm.

- Dùng Ca(OH)₂ với một lượng vừa đủ để trung hoà muối axit, tạo ra kết tủa làm mất tính cứng tạm thời.

- Dùng Na₂CO₃ (hoặc Na₃PO₄) để làm mất tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu.

Trên thực tế, người ta dùng đồng thời một số hoá chất, thí dụ Ca(OH)₂ và Na₂CO₃.

2. Phương pháp trao đổi ion

Những vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ có khả năng trao đổi một số ion có trong thành phần cấu tạo của chúng với các ion có trong dung dịch được gọi là vật liệu trao đổi ion.

Trong xử lí nước cứng, người ta thường dùng các vật liệu polime có khả năng trao đổi cation, gọi chung là nhựa cationit.

Các zeolit là vật liệu trao đổi ion vô cơ cũng thường được dùng để làm mềm nước.

Phương pháp trao đổi ion có thể làm giảm cả độ cứng vĩnh cửu lẫn độ cứng tạm thời của nước.

IV. Nhận biết ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch

Để nhận biết ion Ca²⁺, Mg²⁺ trong dung dịch, ta dùng dung dịch muối chứa CO₃ sẽ tạo ra kết tủa CaCO₃ hoặc MgCO₃. Sục khí CO₂ dư vào dung dịch, nếu kết tủa tan chứng tỏ sự có mặt của Ca²⁺ hoặc Mg²⁺ trong dung dịch ban đầu.